في تطوير النفط والغاز في أعماق البحار، تدمج وحدات الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة (FPSO) طاقة الرياح بشكل متزايد لتقليل انبعاثات الكربون والاعتماد على توليد الطاقة التقليدي القائم على الوقود. ومع ذلك، فإن تقطع طاقة الرياح والاختراق الكبير لإلكترونيات الطاقة جعل أنظمة طاقة وحدات الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة أكثر عرضة لانحرافات التردد وتقلبات الجهد. تطورت محركات التردد المتغير (VFDs)، المستخدمة تقليديًا للتحكم في سرعة المحرك، لتصبح عوامل حاسمة للحفاظ على الاستقرار من خلال تطبيق استراتيجيات تحكم مبتكرة. تركز هذه المقالة على محركات التردد المتغير النشطة الأمامية (AFE-VFDs) وتقنية التحكم في التردد-الجهد-التباين الخاصة بها، موضحةً كيفية تحقيق التوازن بين تكامل طاقة الرياح واستقرار النظام في منصات النفط والغاز البحرية.
تحديات أنظمة الطاقة في منصات النفط والغاز: تكامل طاقة الرياح والدور
تعتمد محطات الإنتاج العائمة (FPSO) التقليدية على مولدات توربينات الغاز، التي توفر استقرارًا وقوة عزم عالية للنظام. وقد أدى دمج مزارع الرياح العائمة بقدرة 50 ميجاوات - والتي تضم توربينات رياح بقدرة 10 ميجاوات مع مولدات متزامنة ذات مغناطيس دائم - إلى إحداث تحول في هياكل الطاقة. فبينما تُقلل طاقة الرياح من البصمة الكربونية، فإنها تُخفض ثابت القصور الذاتي المكافئ للنظام، حيث لا يُضيف توليد الطاقة عبر المحول أي قصور ذاتي، مما يزيد من قابلية تأثره بتغيرات التردد.
لقد أعاد هذا التحول تعريف دور محركات التردد المتغير (VFDs)، حيث تُشغّل معدات حيوية مثل مضخات حقن المياه. بخلاف محركات التردد المتغير ذات الواجهة الأمامية للثنائيات (DFE-VFDs) التي تُمكّن فقط من التشغيل السلس والتحكم في السرعة، تُوفّر محركات التردد المتغير ذات الواجهة الأمامية للثنائيات (AFE-VFDs) تشغيلًا رباعي الأرباع، وتشوّهًا توافقيًا منخفضًا، وقدرة تفاعلية قابلة للتحكم، مما يجعلها واجهات ذكية بين المحركات والشبكة. في وحدات الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة البحرية النموذجية، يُمكن لمُحرّكي تردد متغير كبيرين (مثل وحدات 16 ميجا فولت أمبير) من AFE-VFD توفير نطاق واسع من تنظيم القدرة التفاعلية، مما يدعم استقرار النظام أثناء الاضطرابات.
II. استراتيجيات التحكم الأساسية لمحركات التردد المتغير: من تنظيم السرعة الواحدة إلى التثبيت
تعمل محركات AFE-VFD على تعزيز استقرار النظام من خلال ثلاث وظائف تحكم مدمجة، مما يتيح الاستجابة في الوقت الفعلي لديناميكيات الشبكة مع الحفاظ على أداء المحرك.
1. التحكم في الجهد المتغير: تثبيت جهد
تضبط هذه الوظيفة القدرة التفاعلية بناءً على انحرافات الجهد باستخدام منحنى خطي متعدد الأجزاء. عندما ينخفض جهد الناقل عن 0.95 وحدة ميكرومتر (لكل وحدة)، تحقن محركات AFE-VFDs أقصى قدرة تفاعلية حثية؛ وعندما تتجاوز 1.05 وحدة ميكرومتر، تمتصها. يمنع النطاق الميت (0.975-1.025 وحدة ميكرومتر) التعديلات غير الضرورية. تُظهر التطبيقات الميدانية أن هذا يقلل بشكل كبير من تباين الجهد، مما يُحسّن تنظيم الجهد في حالة الاستقرار عبر المنصة.
2. التحكم في تقلبات التردد: التخفيف من تقلبات
صُممت هذه الاستراتيجية لمعالجة مشاكل القصور الذاتي المنخفض، حيث تربط القدرة التفاعلية بانحرافات التردد. عند تردد أقل من 59 هرتز، تحقن محركات AFE-VFD القدرة التفاعلية الحثية؛ وعند تردد أعلى من 61 هرتز، تمتص القدرة التفاعلية لتثبيت التردد. يقلل النطاق الميت (59.5-60.5 هرتز) من تداخل الحالة المستقرة. أثناء انقطاع التيار عن المولد، ترفع هذه الوظيفة الحد الأدنى للتردد الذي تم الوصول إليه (أدنى تردد) وتقلل معدل تغير التردد (RoCoF)، مما يعزز مرونة النظام.
3. التحكم المُدمج في التردد والفولت والتباين: موازنة الاستقرار والدقة
تُعطي هذه الاستراتيجية المتكاملة الأولوية لدعم التردد أثناء التقلبات (عندما يتجاوز التردد 59.5-60.5 هرتز) وتنتقل إلى التحكم بتباين الجهد في حالة الاستقرار. فهي تُقلل تباين الجهد بأكثر من 30% مقارنةً بالتحكم بالتردد المستقل، مع تحسين أدنى قيمة للتردد وزيادة ثبات عزم النظام مقارنةً بالتحكم بالجهد فقط، مما يُحقق أداءً متوازنًا.
ثالثًا: التحقق الميداني: أداء محرك التردد المتغير أثناء الاضطرابات
تُظهر عمليات المحاكاة التي أجريت على وحدات إنتاج وتفريغ عائمة بحرية فعالية محركات AFE-VFD أثناء الأحداث الحرجة مثل إيقاف تشغيل المولدات المفاجئ (من 3 إلى 2 وحدة) أو رحلات توربينات الرياح (من 5 إلى 4 وحدات):
- بدون محركات تردد متغير : توفر المحركات المتصلة بشكل مباشر بعض القصور الذاتي ولكنها تسبب اختلافات أكبر في الجهد بسبب عدم وجود تنظيم للقدرة التفاعلية.
- عملية عامل القدرة الموحد : لا توفر محركات AFE-VFD أي دعم للاستقرار، مما يؤدي إلى انخفاض التردد الأدنى وارتفاع RoCoF.
- مع التحكم في التردد والفولت والتباين : يتم تحقيق التوازن الأمثل - يستقر تباين الجهد، ويتحسن أدنى مستوى للتردد، وينخفض RoCoF، مما يضمن استردادًا أسرع.
والجدير بالذكر أن جميع تعديلات محرك الأقراص ذي التردد المتغير لا تتطلب أي اتصال، حيث تعتمد على القياسات المحلية لتجنب مخاطر زمن الوصول في البيئات البحرية.
لتحقيق أقصى استفادة من استقرار محركات AFE-VFD، ضع في اعتبارك العوامل الرئيسية التالية:
1. اختيار
إعطاء الأولوية لـ AFE-VFDs مع:
- تشغيل رباعي الأرباع لتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه؛
- تشويه توافقي منخفض (THD ≤5%) لتجنب تلوث الشبكة؛
- نطاق كامل للقدرة التفاعلية للتنظيم المرن.
2. ضبط
- النطاقات الميتة : اضبط النطاق الميت للجهد على ±2.5% (0.975–1.025pu) والنطاق الميت للتردد على ±0.83% (59.5–60.5Hz)؛
- سرعة الاستجابة : تأكد من أن عرض نطاق الحلقة الحالية ≥1 كيلو هرتز لضبط الطاقة التفاعلية بسرعة.
3. التركيب والصيانة
- حماية البيئة : استخدام تبريد الهواء القسري مع مرشحات الغبار للتعامل مع الرطوبة البحرية (نطاق درجة حرارة التشغيل -10 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية) ؛
- التكرار : اعتماد تكوين N+1 للمضخات الحرجة لتقليل وقت التوقف عن العمل؛
- المراقبة : دمج بيانات VFD في أنظمة التحكم FPSO لتتبع الجهد والتردد والطاقة التفاعلية في الوقت الفعلي.
الاستنتاج: محركات التردد المتغير كحجر الزاوية في التحول
مع تزايد انتشار طاقة الرياح في محطات الإنتاج والتخزين والتفريغ العائم (FPSOs)، أصبحت محركات التردد المتغير (VFDs) المزودة بخاصية التحكم في التردد-الفولت-التباين (Freq-volt-var) ضرورية. فمن خلال الاستفادة من تنظيم القدرة التفاعلية، تُحسّن هذه المحركات استقرار الجهد ومرونة التردد في آنٍ واحد دون الحاجة إلى معدات إضافية. وستعزز التطورات المستقبلية في الخوارزميات التكيفية ومحاكاة القصور الذاتي الافتراضي دورها بشكل أكبر، مما يُمكّن منصات النفط والغاز البحرية من تحقيق أهداف الاستدامة والموثوقية. يُعد اختيار استراتيجية التحكم المناسبة في محركات التردد المتغير (VFD) أمرًا بالغ الأهمية لنجاح دمج الطاقة المتجددة في العمليات البحرية.
إذا كنت تبحث عن حلول محولات التردد المتغير (VFD) لدمج طاقة الرياح في المنصات البحرية، فلا تتردد في ترك أسئلتك أو متطلبات مشروعك أدناه. ستستجيب شركة هينجرونج للكهرباء المحدودة على الفور لمساعدتك في تصميم استراتيجية محول التردد المناسبة لك!